Dokumentation in der Mess- und Prüftechnik

Die Erfassung der grundlegenden Phänomene in der Natur und Technik erfordert eine klare und adäquate Sprache zur quantitativen Beschreibung ihrer Wirkungen. Neben den Zahlenwerten sorgen feste Einheiten für eine eindeutige Bewertung der Größen.

In allen naturwissenschaftlichen und technischen Bereichen werden durch Messungen die Werte von physikalischen, technischen oder chemischen Größen ermittelt. Es werden dabei spezielle Messmethoden und Messinstrumente genutzt. Jede Messung ist mit einem Fehler behaftet und das Ziel der modernen Fehlerrechnung ist es, zum einen die Größe des Fehlers zu bestimmen und zum anderen Methoden zur Reduzierung der Abweichungen abzuleiten.

In Kapitel 2 haben wir den Mittelwert und die Standardabweichung für eine einzelne Größe bestimmt. In den meisten Fällen lassen sich physikalische und technische Größen nicht direkt messen, sondern es werden zwei oder mehrere Größen gemessen, aus denen dann die gesuchte Größe berechnet wird. Die physikalischen Größen, die sich direkt messen lassen, sind die sogenannten Grundgrößen, z.B. die Länge, die Zeit, die Masse. Als abgeleitete Größen werden die Größen bezeichnet, die sich nur aus anderen gemessenen Größen berechnen lassen, wie z.B. die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, das spezifische Gewicht. Jede Einzelmessung ist mit einem Fehler behaftet und es stellt sich die Frage, wie sich diese Fehler auf das Endergebnis niederschlagen. Systematische Fehler können sich im ungünstigsten Fall aufaddieren und bei zufälligen Fehlern kann man davon ausgehen, dass sie sich zumindest zum Teil gegenseitig aufheben. Mit der Frage, wie sich Einzelfehler auf das Endergebnis fortpflanzen, beschäftigt sich die Fehlerfortpflanzung.

Nach Durchführung eines Versuches liegen die Messdaten in den meisten Fällen in tabellarischer Form vor. Handelt es sich um kleine Tabellen, so lassen sich die Informationen noch sehr strukturiert und übersichtlich darstellen. Für große Datenmengen sind die reinen Zahlenreihen oft unübersichtlich, nur schwer zu interpretieren und Zusammenhänge lassen sich nicht erkennen. Zur Veranschaulichung größerer Datenmengen besitzt die grafische Darstellung gegenüber einer numerischen Tabellen-Darstellung wesentliche Vorteile. Das beruht darauf, dass das menschliche Auge mit dem angeschlossenen neuronalen Netzwerk des Gehirns zur hochgradigen Parallelverarbeitung von sehr großen Datenmengen in der Lage ist und dabei sehr schnell die wesentlichen Informationen aus Bildern extrahieren kann.

Betrachten wir technische und wissenschaftliche Probleme, so sind wir an Zusammenhängen zwischen den unterschiedlichen Variablen interessiert. Beispielsweise ist es bei der Messung des Reifendruckes von Autoreifen wichtig zu wissen, wie die Daten des Drucksensors von der Umgebungstemperatur abhängen. Kennt man den Zusammenhang, so lässt sich der Reifendruck bei winterlichen und sommerlichen Temperaturen richtig bestimmen.

Es sei die Größe y die sogenannte Zielgröße (die abhängige Variable), die gemessen wurde, und die Größe x die sogenannte Einflussgröße (die unabhängige Variable), die in einem bestimmten Intervall variiert. Ist die mathematische Form des Zusammenhangs zwischen der Einflussgröße und der Zielgröße bekannt, so kann eine Anpassung einer Funktion an die Datenpunkte erfolgen. Mit Hilfe der Regressionsanalyse wird dieses mathematische Modell durch Anpassung der Parameter an die vorhandenen Daten so angepasst, dass man die „bestmögliche“ Beschreibung der Daten erhält. Es wird demnach eine Ausgleichskurve bestimmt, die eine möglichst gute Annäherung an die Messdaten liefert.

Wie in Kap. 5 gezeigt wurde, lassen sich lineare physikalische und technische Zusammenhänge relativ leicht auswerten, zumal die notwendigen mathematischen Operationen heute bereits in recht einfachen und preiswerten Taschenrechnern implementiert sind. Es gibt jedoch viele nichtlineare Lösungsansätze für Ausgleichskurven, die einen höheren rechnerischen Aufwand zur Auswertung erfordern. Lassen sich diese Lösungen linearisieren oder mathematisch ausgedrückt durch eine einfache Transformation auf einen linearen Ansatz zurückführen, so reduziert sich der rechnerische Aufwand erheblich. Diese nichtlinearen Ausgleichsprobleme, die auf eine lineare Regression zurückführbar sind, wollen wir uns im folgenden anschauen. Wir beginnen mit der Exponential- und der Potenzfunktion, die sich im halblogarithmischen bzw. doppellogarithmischen Funktionspapier durch Geraden, d.h. durch lineare Funktionen, darstellen lassen.

In Kapitel 2 wurde gezeigt, dass eine physikalisch-technische Messgröße in der Praxis n-mal unter gleichen Bedingungen gemessen wird, damit eine Aussage über die Größe der zufälligen Messabweichungen (zufälliger Fehler) getroffen werden kann. Die Berechnung des arithmetischen Mittelwertes liefert dann einen wahrscheinlichen Wert, um dem die einzelnen Messdaten gleichmäßig verteilt sind. Im folgenden wollen wir uns mit den Eigenschaften einer derartigen Häufigkeitsverteilung einer Messreihe befassen. Eine zentrale Rolle spielt dabei die sogenannte Normal- oder Gaußverteilung, die die Abweichungen der Messwerte vieler natur-, wirtschafts- und ingenieurwissenschaftlichen Abläufe vom Mittelwert beschreibt. In der Messtechnik wird häufig zur Beschreibung der Streuung der Messabweichungen (Messfehler) eine Normalverteilung angesetzt. Hierbei ist von Bedeutung, wie viele Messpunkte innerhalb einer vorgegebenen Streubreite liegen - diese Frage beschäftigt insbesondere Ingenieure, die in Qualitäts-, Test- oder Fertigungsbereichen einer Firma tätig sind.

Die Erstellung und Pflege technischer Dokumente bildet inzwischen einen wesentlichen Teil der Ingenieurtätigkeit. Neben den Anforderungen aus der technischen Sicht sind auch immer mehr formale und juristische Aspekte zu berücksichtigen (z.B. Beachtung der Forderungen aus dem Produkthaftungsgesetz).

Technische Dokumente werden fast immer zielgruppen-orientiert erstellt. Man unterscheidet zwischen technischen Dokumenten für den internen Gebrauch und solchen, die für Anwender technischer Geräte und Einrichtungen erstellt werden.

Vor der Erstellung eines jeden technischen Dokuments sind folgende grundsätzliche Frage zu klären:

Danach kann mit der Sammlung von Unterlagen (Quellen) begonnen werden. Hierbei ist jede Quelle mit folgenden Meta-Daten zu erfassen:

Danach sollte zunächst das Inhaltsvereichnis erstellt werden, um damit die Struktur des Dokuments festzulegen. Der erste Entwurf dieses Verzeichnisses ist in den meisten Fälle nicht endgültig, sondern muss im Zuge der Erstellung des Dokuments (ggf. sogar mehrfach) überarbeitet, ergänzt oder gekürzt werden.

Für die elektronische Dokumentation sind viele Programme verfügbar. Um eine Entscheidung für oder gegen ein bestimmtes Programm zu treffen, sind folgende Kriterien zu beachten:

Die ausgewählte Software sollte den Autor so weit wie möglich unterstützen. Eine wichtige Forderung ist jedoch, dass alle (prinzipiell automatischen) Funktionen der Software bei Bedarf abschaltbar sind.